Luận văn Xử lý nước phèn quy mô hộ gia đình

BỘ CÔNG THƯƠNG TRUỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HCM VIỆN KHCN&QLMT MÔN: KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC CẤP LỚP : CDMT10. GVHD: Cao Thị Thúy Nga. Tp.HCM, tháng7 năm 2010 MỤC LỤC A. Giới thiệu: Nước là nhu cầu thiết yếu trong đời sống của con người, động- thực vật và tất cả sinh vật trên trái đất. Nếu không có nước, cuộc sống trên trái đất không tồn tại, con người có thể không ăn trong 15 ngày nhưng không thể không uống nước quá 1 ngày. Đối với nhu cầu chuẩn bị bữa ăn và nước uống hàng ngày của một người chỉ cần 3-10 lít nước là đủ. Nhưng con người cần phải sử dụng một lượng nước nhiều hơn cho mục đích khác như: vệ sinh thân thể, rửa các dụng cụ nấu nướng, giặt quần áo, lau nhà cửa ... Tùy thuộc vào khí hậu và loại công việc mà cơ thể con người cần nhiều hay ít nước trong ngày đối với những nhu cầu khác nhau. Một phần nước này có từ thực phẩm. Việc sử dụng nước để nấu nướng là tương đối ổn định. Lượng nước dùng cho các mục đích khác thay đổi rất rộng và chịu ảnh hưởng nhiều tới loại và tính sẵn có của việc cung cấp nước. Những nhân tố ảnh hưởng tới việc sử dụng nước là các tập quán văn hóa, hình mẫu và các tiêu chuẩn sống. Tiêu chuẩn dùng nước của các thành phố lớn như Hà Nội, Huế, Đà Nẵng, TP. HCM là 120 l/ngày/người (mỗi gia đình trung bình có 5 người thì mỗi ngày cần khoảng 600l nước cấp cho một gia đình). Việc có một nguồn nước sạch để sử dụng là rất cần thiết, là yếu tố thiết thực để chăm sóc sức khỏe của con người. Tuy nhiên, nguồn nước sạch hiện nay đang cạn kiệt dần. Nhiều địa phương, người dân phải sử dụng cả nước ao hồ, sông suối và nước nhiễm bẩn. Nhằm góp phần nâng cao sức khỏe cho con người, nhóm chúng tôi đã nghiên cứu thực hiện đề tài xử lý nước nhiễm phèn quy mô hộ gia đình để mỗi gia đình đều có được một nguồn nước sinh hoạt trong lành, tinh khiết. B. NỘI DUNG Thành phần – tính chất của nước phèn: 1.Quá trình hình thành phèn: Giai đoạn hình thành khoáng pyrite FeS2: Sự hình thành pyrite là nguy cơ của phèn hóa đất và nước.Giai đoạn đầu là sự phát triển của hệ thực vật nước mặt ở vùng gần bờ biển.Sau đó, do quá trình bồi tụ phù sa cùng với sự rút lui dần của biển, rừng ngập mặn bị mất môi trường sống. Cây ngập mặn bị vùi trong phù sa và bị phân hủy yếm khí. Nước mặn (nước biển)có hàm lượng ion sulfat SO42- rất cao ( vài nghìn miligam trong một lít- cao gấp hàng trăm lần trong nước ngọt). Cây nước mặn cũng chứa nhiều sulfat.Trong quá trình phân hủy yếm khí sulfat bị chuyển thành hydrosulfua-SH. Sản phẩm này khử oxít sắt(có rất nhiều phù sa bồi tụ) tạo thành sunfua sắt (FeS). Sau đó FeS chuyển hóa dần thành khoáng FeS2, pyrite dần dần bồi tụ lại thành tầng dày. Những vùng đất có tầng pyrite được gọi là đất phèn tiềm tàng. Giai đoạn hình thành H2SO4: Sự hình thành H2SO4 do oxy hóa pyrite là nguyên nhân trực tiếp làm đất và nước nhiễm phèn. Có nhiều nguyên nhân khác nhau làm cho oxy không khí xâm nhập sâu vào đất như: mực nước biển hạ thấp xuống, oxy hòa tan vào nước mưa rồi thấm vào đất,cây cối bề mặt chuyển từ phía trên thân lá xuống rễ và vào đất, con người khai phá đất…Đây là cơ hội để vi sinh vật( Thiobacillus ferrooxydants) trong đất oxy hóa pyrite làm nguôn năng lượng cho chúng hoạt động. 4FeS2 + 15O2 + 2H2O = 4 Fe3+ + 8SO42- + 12H+ Các sản phẩm của quá trình này: H2SO4, Fe3+ cùng với ion kali cò sẵn trong đất kết hợp thành khoáng jaroste KFe3(SO4)2(H2O)6. Do môi trường có độ axít mạnh nên nhôm trong cấu trúc sét bị hòa tan và kết hợp các sản phẩm trên thành khoáng alunite KAl3(SO4)2(H2O)6. Khoáng jarosite và alunite là chỉ thị cho đất phèn hoạt động. Giai đoạn phá hủy pyrite và hình thành Fe2+: Khi môi trường có tính axit mạnh, quá trinh oxy hóa pyrite (quá trình hóa sinh) chậm lại, nhưng quá trình phân hủy pyrite tạo thành Fe2+ (quá trình hóa học) tăng cường: FeS2 + 2Fe3+ = 3Fe2+ + 2S0 Đây là nguyên nhân hình thành ion Fe2+ trong nước phèn. Quá trình oxy hóa và phân hủy pyrite làm đất phèn hoạt động tích tụ H+, SO42-, Fe2+, Al3+, pH thấp và tính khử cao cũng là nguyên nhân hòa tan nhiều kim loại khác như mangan… Sự hình thành khoáng Halotrichite FeAl2(SO4)4..22H2O Ở vùng đất phèn thường xuất hiện một loại màu trắng xám, rất dễ tan trong nước. Đặc biệt là nước hòa tan khoáng này có thành phần và tính chất giống nước phèn: pH thấp, chứa nhiều Fe2+, gốc sunfat SO4, nhôm Al3+.Phân tích hóa học và phổ cho thấy khoáng vật mới này có công thức là FeAl2(SO)4 .22H2O- đó là khoáng halotrichite, là nguyên nhân làm cho nước bề mặt nhiễm phèn. Nước phèn trong đất chứa khoáng halotrichite bị mao dẫn lên mặt đất. Halotrichite mặt đất rửa trôi rữa xuống nước do mưa gió làm cho nước bị nhiễm phèn: pH thấp và chứa nhiều Fe2+, Al3+,SO42-,Mn2+ Sự xuất hiện Fe2+ trong nước ngầm Nước ngầm chứa nhiều sắt cũng được gọi là nước nhiễm phèn. Sắt trong trường hợp này được hình thành do quá trình khử sắt (III) trong đất.Trong điều kiện thiếu oxy không khí, vi sinh vật yếm khí oxy hóa chất hữu cơ theo cơ chế anoxic, trong đó Fe3+ thường ở dạng oxit không tan- là chất nhận electron. Fe2O3 + C(H2O) + H2O = Fe2+ +H+ +CO2 Sự xuất hiện phèn sắt Fe(OH)3 và Fe2O3 Fe2+ tan trong nước ngầm, khi tiếp xúc với không khí lại bị oxy hóa thành hidroxit sắt(III). Fe2+ + O2 + H2O = Fe(OH)3 = Fe2O3 + H+ Các sản phẩm của phản ứng này ở dạng keo, lởn vởn trong nước, rất khó lắng. Đây là hiện tượng nước bị phèn sắt. Fe2O3 có màu nâu đậm. Sự có mặt của chất hữu cơ trong nước ngầm là nguyên nhân chính làm nước ngầm nhiễm phèn sắt. Nước ngầm từ các vùng đất trũng thường chứa nhiều sắt. Việc khai thác nước ngầm quá mức làm mực nước ngầm hạ thấp xuống. Điều đó làm tăng sự xâm nhập chất hữu cơ từ trên bề mặt vào nước ngầm làm tăng hàm lượng sắt trong nước ngầm. 2. Ảnh hưởng của nước phèn: Có rất nhiều kiểu mô tả khác nhau về đặc điểm của nước phèn. Do tính chất của nó khác nhau tùy theo đặc điểm của từng vùng, có khi nước có vị chua, nước có màu vàng giặt quần áo bị ố vàng, khi thì nước lại có mùi tanh tanh, có loại khi mới lấy lên từ nguồn thì thấy nước rất trong nhưng để yên nước trong vài ba ngày sẽ thấy nổi váng trên bề mặt... Nếu sử dụng nguồn nước nhiễm phèn cho ăn uống, sinh hoạt thì các dụng cụ trong nhà đều bị ăn mòn, tắm rửa thì bị rộp da. Do nước chứa nhiều phèn sắt có màu vàng đục gây cảm giác mỹ quan không tốt. Mặc dù các thành phần có trong nước phèn (nhôm, sắt, sulfat và mangan) không gây độc cho sức khỏe. Nhưng nếu hàm lượng Fe>0,3 mg/l; Mn> 0,1 mg/l làm hoen ố quần áo khi giặt, hàm lượng sulfat cao sẽ gây vị khó chịu cho nước uống (pH thấp gây vị chua cho nước). Ngoài ra nhôm trong nước quá cao còn gây loãng xương cho người già và ảnh hưởng đến chức năng lọc máu của thận... Vì vậy việc tìm ra các giải pháp và công cụ cũng như thiết bị loại bỏ các thành trên trong nước phèn là điều rất cần thiết. Các phương pháp xử lý nước nhiễm phèn: Theo như kết quả từ những mẫu phân tích nước nhiễm phèn thì hàm lượng của sắt và mangan là chiếm thành phần nhiều nhất, hàm lượng của nhôm và sulfat rất ít. Ta có thể loại bỏ nhôm và sulfat bằng cách dùng vật liệu trao đổi cation hoặc anion. Còn sau đây chủ yếu là các phương pháp để loại bỏ sắt và mangan: 1.Khử sắt: 1.1.Các trạng thái tồn tại tự nhiên của sắt trong các nguồn nước: a) Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH)2, Fe(HCO3)2, FeSO4... Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị III: Fe(OH)3, FeCl3… trong đó keo hyđro sắt hóa trị III Fe(OH)3 là chất keo tụ, dễ dàng lắng đọng trong các bể lắng và bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan trong nước hoàn toàn có thể xử lý bằng phương pháp lý học: làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và cho quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong. b) Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat (FeSiO(OH)33+) Các phức chất hữu cơ của ion sắt với humic,fuvic…Các ion sắt hòa tan Fe(OH)+, Fe(OH)3- tồn tại tùy thuộc váo giá trị thế oxy hóa khử và pH của môi trường. Các loại phức chất và hỗn hợp các ion hòa tan của sắt không thể khử bằng phương pháp lý học thông thường, mà kết hợp với phương pháp hóa học.Muốn khử sắt ở dạng này phải cho thêm vào nước các chất oxy hóa như: clo, KMnO4, ozon để phá vở liên kết và oxy hóa ion sắt thành ion hóa trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ FeCl3, Al2(SO4) và kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho quá trình đồng keo tụ các loại keo sắt và phèn xảy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong. 1.2. Số liệu cần thiết để thiết kế trạm xử lý khử sắt: Khi thiết kế trạm khử sắt cần thu thập các số liệu sau: Công suất hữu ích của trạm(m3/ngđ), số giờ hoạt động trong ngày hay công suất giờ(m3/h) Bơm nước liên tục với lưu lượng đủ lớn để loại trừ hết nước tù đọng, sau đó lấy mẫu ngay tại đầu bơm để phân tích các chỉ tiêu: Độ đục. Độ màu. Độ oxy hóa. Độ kiềm. Độ cứng toàn phần và độ cứng cacbonat. pH. Tổng hàm lượng sắt. Hàm lượng ion sắt hóa trị II. Hàm lượng ion sắt hóa trị III. Hàm lượng silic, pholiphotphat và các kim loại nặng. Hàm lượng CO2 tự do. Hàm lượng H2S. 1.3.Lựa chọn dây chuyền công nghệ khử sắt: a) Các yếu ảnh hưởng đến quá trình khử sắt: Quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành bông cặn Fe(OH)3 dễ lắng đọng được thể hiện bằng phương trình sau: 4Fe2+ + O2 + 2H2O + 8OH- = 4Fe(OH)3↓ Để oxy hóa 1mg sắt(II) tiêu tốn 0,143 mg oxy. Tốc độ của quá trình oxy hóa và thủy phân: ][OH-]2.[O2] Trong đó: [O2]: Lượng oxy hòa tan trong nước tính bằng phân tử g/l. Tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ oxy hòa tan trong nước tăng lên. K: Hằng số tốc độ oxy hóa và thủy phân phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất đệm của dụng dịch nước, phụ thuộc vào các chất xúc tác như: cặn Fe(OH)3 tích lũy trên mặt các vật liệu lọc, hoạt động của vi khuẩn sắt, các muối đồng, mangan oxyt, là những chất xúc tác làm tăng nhanh rất nhiều(từ 2 đến 3 lần) quá trình oxy hóa và thủy phân sắt. [OH-]2: Tốc độ phản ứng và thủy phân sắt tăng khi tăng pH của nước (nồng độ ion OH- tăng). Khi có đủ hàm lượng oxy để oxy hóa sắt, thời gian oxy hóa và thủy phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước theo tiêu chuẩn thiết kế các công trình cấp nước (TCN 33-85) và theo số liệu đúc kết nhiều năm của các trung tâm nghiên cứu khoa học công nghệ cấp thoát nước thuộc công ty tư vấn cấp thoát nước số 2- Bộ Xây Dựng có thể lấy như sau: Ph 6,0 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 ≥7,5 Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng và bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) 90 60 45 30 25 20 15 10 Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước)trong bể lọc tiếp xúc(bể lọc I) và bể lọc trong (bể lọc đợt II) (phút) 60 45 35 25 20 15 12 5 Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5-20km/h tùy thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi vào bể lọc trong(lọc đợt II)≤15mg/l. Tốc độ lọc qua bể lọc trong lấy 3-9m/h tùy thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết. b)Các sơ đồ dây chuyền công nghệ khử sắt: Trong nước ngầm ngoài ion Fe2+ luôn có một lượng chất khử hoặc là hữu cơ hoặc vô cơ biểu thị nằng độ oxy hóa của nước tính theo mg/l oxy. Nếu trong nước có chứa các hợp chất của lưu huỳnh dưới dạng khí H2S hòa tan, ion HS- hoặc S2-, các hợp chất này là các chất khử đối với hệ sắt (tại 250C thế oxy hóa tiêu chuẩn E0= -0,48V) nên có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình oxy hóa sắt. 2H2S + O2 = 2S +2H2O Oxy còn dư sau phản ứng trên sẽ tiếp tục oxy hóa Fe2+ thành Fe3+, 1mg H2S tiêu thụ 0,47mg O2. Trong quá trình oxy hóa sắt một phần oxy hòa tan sẽ tham gia vào quá trình phân hủy các chất khử.vì vậy lượng oxy cần thiết để khủ sắt là: Độ oxy hóa (biểu thị bằng mg/l O2) + 0,47 H2S +0,15Fe2+ mg/l Làm thoáng đơn giản và lọc: Điều kiện áp dụng: Độ màu của nước khi chưa tiếp xúc với không khí ≤15. Hàm lượng SiO22- ≤2 mg/l. H2S ≤0,5 mg/l. NH4+ ≤ 1 mg/l. Tổng hàm lượng sắt ≤ 10 mg/l. Nhu cầu oxy = độ oxy hóa + 0,47H2S +0,15Fe2+ ≤ 7 mg/l. Làm thoáng + lắng hoặc lọc tiếp xúc +lọc trong: Điều kiện áp dụng: Độ oxy hóa ≤ (Fe2+/28)+5 (mg/l). Nhu cầu oxy =độ oxy hóa +0,47H2S +0,15Fe2+ < 10 mg/l Tổng hàm lượng sắt ≥15mg/l; tổng hàm lượng muối khoáng <1000mg/l. Hàm lượng SiO22- ≤ 2mg/l, NH4+ mg/l, H2S <1mg/l. Độ kiềm của nước K ≥(1+ (Fe2+/28)). pH <6,8 thì tính toán thiết bị làm thoáng theo điều kiện khử khí CO2 để tăng pH. Độ kiềm của nước K<(1+ (Fe2+/28)) pH>6,8 thì tính toán thiết bị làm thoáng theo điều kiện lấy oxy khử sắt. Kiềm hóa, làm thoáng, lắng hoặc lọc tiếp xúc, lọc trong: Điều kiện áp dụng: Nhu cầu oxy = độ oxy hóa + 0,47H2S + 0,15Fe2+ ≤ 15 mg/l Độ pH của nước sau làm thoáng tính theo: Khi cho chất kiềm hóa vào nước như vôi CaO, NaOH, Na2CO3 …pH của nước tăng lên, phá vỡ các liên kết của các chất hữu cơ môi trường axit, các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)3 và kết tủa một phần,lúc này thế oxy hóa khử của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, oxy có trong nước dễ dàng oxy hóa sắt(II) thành sắt(III). Hydro sắt (III) kết tụ thành bông cặn lớn dễ loại bỏ bằng bể lắng và bị giữ lại hoàn toàn trong bể lọc. Liều lượng các chất kiềm cần thiết tính theo công thức: CaO = 0,8 CO2 +0,18 Fe2+( mg/l) Trong đó: CO2: Lượng CO2 tính theo công thức (10.2) (mg/l) Fe2+: Hàm lượng ion sắt (II) (mg/l). Chất kiềm hóa cho vào sau thiết bị làm thoáng để tiết kiệm vì đã khử được một phần hàm lượng CO2. Oxy hóa bằng hóa chất, lắng và lọc tiếp xúc, lọc trong: Điều kiện áp dụng: Trong nước có chất hữu cơ, các tổ hợp chất hữu cơ tạo thành keo bảo vệ của ion sắt, chúng ngăn cẳn quá trình thủy phân và oxy hóa sắt. Muốn khử sắt trước hết phải phá vỡ màng bảo vệ hữu cơ bằng tác dụng của các chất oxy hóa mạnh. Đối với nước ngầm có hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được bằng làm thoáng không đủ để oxy hóa toàn bộ H2S và sắt, trong trường hợp này dùng hóa chất để khử sắt. Khử sắt bằng clo, có quá trình oxy hóa khử như sau: Cl2 +2e 2Cl- Thế oxy hóa khử tiêu chuẩn E0 = 1,36V Khi cho clo và nước, clo sẽ oxy hóa sắt(II) thành sắt(III). 2Fe(HCO3)2 +Cl2 + Ca(HCO3)2 +6H2O = 2Fe(OH)3 + CaCl2 +6H+ +6HCO3 Tốc độ oxy hóa của phản ứng: Để oxy hóa 1mg Fe2+ cần 0,64 mg Cl2 và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0,018 mđlg/l. Tốc độ oxy hóa sắt bằng clo tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+, tức là tăng pH của nước. Tuy nhiên do clo là chất oxy hóa mạnh(E0 = 1,36V), nên phản ứng oxy hóa sắt vẫn xảy ra nhanh khi độ pH có giá trị lớn hơn hoặc bằng 5. Khi trong nước có muối hòa tan của các hợp chất amoni, clo tự do trong nước kết hợp với chúng thành cloramin.Thế oxy hóa khử của cloramin E0= 0,76V, bằng một nửa thế oxy hóa khử của clo, vì vậy quá trình oxy hóa bị chậm lại. Với giá trị pH của nước bằng 7, quá trình oxy hóa sắt(II) bằng cloramin kết thúc sau 60 ph. Vì vậy nếu phát hiện trong nước có muối hòa tan của hợp chất amoni với nồng độ đáng kể thì việc oxy hóa bằng clo là không có lợi. Đồng thời với việc khử sắt bằng clo, các chất hữu cơ cũng được khử khỏi nước, vì vậy liều lượng clo sử dụng sẽ tăng lên. Liều lượng clo bổ sung để khử hữu cơ bằng: aCl= 0,5[O2] (mg/l). Trong đó : [O2]: độ oxy hóa bằng kali permanganat của muối tính chuyển ra oxy. Khử sắt bằng kali permanganat (KMnO4) Khi dùng KMnO4, quá trình khử sắt kết thúc nhanh vì cặn mangan(IV) hydroxit vừa được tạo thành lại là nhân tố xúc tác cho quá trình khử sắt. Phản ứng oxy hóa khử của hệ KMnO4 và sắt diễn ra theo phương trình sau: 5Fe 2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O (1) Thế tiêu chuẩn của cặp và của Fe3+/Fe2+ là E0 = 0,77V. Hệ số cân bằng của phương trình (1) Cho thấy nồng độ ion do phản ứng tạo ra lớn rất nhiều lần(1063,5) nồng độ các ion bị oxy hóa. Trong quá trình khử sắt, các ion Fe3+ được tạo thành sẽ thủy phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ ion Fe3+ hòa tan trong nước còn lại không đáng kể. Do đó là phản ứng không thuận nghịch, xảy ra nhanh và triệt để. Để khử hết 1mg Fe2+ cần 0,564 mg KMnO4. Trong nguồn nước mặt, cùng với việc xử lý độ đục và cặn bẩn khác bằng clo hóa sơ bộ, kiềm hóa, pha phèn, ion sắt sẽ bị oxy hóa và lắng cùng với các keo, keo tụ cặn bẩn trong nước tức là việc khử sắt luôn được thực hiện bằng quá trình xử lý nước mặt để loại trừ độ đục của nước. 2.Khử Mangan: 2.1. Phương pháp oxy hóa: Quy trình công nghệ cơ bản cũng giống như khử sắt bao gồm giàn mưa ,lắng tiếp xúc và lọc. Riêng phần bể lọc, do phản ứng oxy hóa mangan diễn ra chậm nên lớp cát lọc phải có bề dày 1,2-1,5m. Quy trình rửa lọc phải được lựa chọn trên cơ sở thực nghiệm chính xác, nhằm mục đích giữ lại một lớp màng Mn(OH)4 bao quanh hạt cát lọc làm màng xúc cho chu kỳ tiếp theo. Nếu rửa sạch hạt cát lọc thì vào chu kỳ lọc sau lại cần có thời gian để tạo ra lớp màng xúc tác mới (thường từ 5-10 ngày). Để đạt hiệu quả cao, vật liệu nên dùng cát đen (đã phủ một lớp đioxit mangan). Trong nước có chứa cả sắt và mangan, thì giàn làm thoáng cần phải đảm bảo đủ lượng oxy hòa tan cho cả quá trình oxy hóa sắt và mangan. Do sắt oxy hóa trước nên quá trình oxy hóa mangan sẽ xảy ra ở các lớp cát lọc nằm bên dưới. Tùy theo tính chất nguồn nước và điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép, quy trình kết hợp có thể là: a)Xử lý có xúc tác: Bao gồm làm thoáng, lắng tiếp xúc, bể lọc một hoặc hai lớp. Nếu sau khi sắt oxy hóa hết, độ pH của nước cao hơn thì quá trình oxy hóa mangan sẽ diễn ra thuận lợi. Bể lọc cần có lớp cát dày không nhỏ hơn 1,5m. Dùng bể lọc hai lớp (than hoạt tính và cát) đạt hiệu quả cao hơn.Quy trình này chỉ có một cấp bể lọc, cặn Mn(OH)4 được tạo ra trước là nhân tố xúc tác cho sự oxy hóa mangan. Tuy nhiên quy trình rửa lọc sẽ rất phức tạp vì nếu rửa sạch cặn sắt nằm ở lớp vật liệu lọc bên trên (cần cường độ rửa lớn) thì khó giữ lại được lớp màng xúc tác Mn(OH)4 ở lớp cát bên dưới. b)Xử lý không xúc tác: Khi hàm lượng sắt và mangan trong nước đều lớn hoặc không thỏa mãn yêu cầu của hệ một bậc thì chọn quy trình xử lý hai bậc.Quá trình khử sắt sẽ hoàn thành ở bậc một gồm các khâu làm thoáng, lắng, lọc. Sau đó xử lý nâng pH của nước lên trên 8. Nếu lượng oxy hòa tan không đủ để oxy hóa mangan tiến hành làm thoáng lại và lọc nước qua bể lọc thứ hai để xử lý mangan. Quy trình này tuy tốn kém hơn về xây dựng nhưng chất lượng và hiệu quả xử lý ổn định. Các bể lọc có chức năng khác nhau rõ ràng, nên vận hành rửa lọc đơn giản hơn. 2.2. Các phương pháp khác để khử mangan: a)Phương pháp hóa học: Sử dụng các chất oxy hóa mạnh như clo, ozon, KMnO4 để oxy hóa Mn2+ thành Mn4+. Clo oxy hoá Mn2+ ở pH=7 trong 60-90ph clo ddioxxit (ClO2) và ozon (O3) oxy hóa Mn2+ ở pH=6,5 ÷ 7 trong 10-15ph. Để oxy hóa 1mg Mn2+ cần 1,35mg ClO2 hay 1,45 mg O3. Nếu trong nước có các hợp chất amoni thì quá trình oxy hóa Mn2+ bằng clo chỉ bắt đầu sau khi clo kết hợp với amoni thành cloramin và trong nước còn dư clo tự do. Kali permanganat oxy hóa Mn2+ ở mọi dạng tồn tại (kẻ cả dạng keo, hữu cơ) thành Mn(OH)4 . b)Phương pháp sinh học: Sử dụng vật liệu đã được cấy trên bề mặt một loại vi khuẩn có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trưởng. Xác vi khuẩn chết sẽ tạo ra trên bề mặt hạt vật liệu lọc một màng mangan oxit có tác dụng như chất xúc tác trong quá trình khử mangan. Sơ đồ công nghệ xử lý nước phèn quy mô gia đình: Dựa vào thành phần – tính chất của nước phèn cùng acác phương pháp xử lý nước phèn mà nhóm chúng tôi sưu tầm được. Công nghệ xử lý nước phèn trong gia đình được nhóm đề xuất như sau: Giếng khoan Bơm Két nước 1 Bể lọc Két nước 2 Các thiết bị vệ sinh Nước bẩn cặn thải Làm thoáng Giếng khoan: Là công trình thu nước ngầm mạch sâu. Từ vài chục đến vài trăm mét, có đường kính 42-49mm. Giếng khoan thường bao gồm các bộ phận chính sau: Cửa giếng hay miệng giếng: dùng để đặt động cơ và ống đẩy đưa nước tới công trình xử lí. Ngoài ra còn có nhà bao che bảo vệ. Thân giếng (thường gọi là ống vách): là các ống thép không gỉ nối với nhau bằng mặt bích, ren. Ngoài ra còn dùng ống bê tông cốt thép nối với nhau bằng ống lồng ống. ống vách có nhiệm vụ chống bẩn và chống sụt lở giếng. Bên trong ống vách ở phía trên là guồng bơm nối với động cơ điện bằng trục đứng. Ống lọc (hay còn gọi là bộ phận lọc của giếng khoan): đặt trực tiếp trong lớp đất chứa nước để thu nước vào giếng và ngăn không cho bùn cát chui vào giếng. ống lọc được chế tạp nhiều kiểu với các kết cấu khác nhau. Khi lớp đất chứa nước là cuội sỏi, cát to thì không cần lưới bọc ngoài. Ngược lại khi đất chứa nước là cát mịn thì ngoài lưới đan còn phải bọc sỏi phía ngoài. Thay cho ống thép khoan lỗ có thể dùng ống bằng các thanh thép hàn lại hoặc dùng ống phibro ximăng, ống chất dẻo có châm lỗ hoặc khe để làm ống lọc. Ống lắng: Ở cuối ống lọc dài 2-10m để giữ lại cặn cát chui vào giếng. Khi thau rửa giếng, lớp cặn cát này sẽ được đưa lên khỏi mặt đất. Bơm: Để đưa nước lên bể chứa. Máy bơm trong nhà phổ biến nhất là máy bơm li tâm. Trục ngang chạy bằng động cơ điện. Bộ phận chính của bơm li tâm là bánh xe công tác gồm nhiều bản lá kim loại gắn vào. Khi quay, bánh xe công tác sẽ tạo nên một lực li tâm cuốn theo nước với tốc độ lớn. Đồng thời nén chặt nước tạo ra áp lực cần thiết để vận chuyển nước trong đường ống. Máy bơm được trang bị các thiết bị như van, khóa trên ống hút, ống đẩy, thiết bị mồi nước, áp lực kế, chân không kế v.v... ¬ Phương pháp chọn máy bơm: Muốn chọn máy bơm ta dựa vào 2 tiêu chí cơ bản sau: Lưu lượng máy bơm Qb (m3/h hoặc l/s) Áp lực toàn phần của máy bơm Hb (m) Trong trường hợp sinh hoạt bình thường thì lưu lượng bơm bằng lưu lượng ngày dùng nước lớn nhất: Qb =Qngàymax Bơm thường được bố trí ở gầm cầu thang, sử dụng được diện tích thừa nhưng chật hẹp, khó bố trí, dễ gây ồn, ảnh hưởng đến người sống trong nhà. Ta có thể chống ốn bằng cách: Đặt máy bơm trên nền cát. Dùng tấm đệm đàn hồi (cao su, lò xo, gỗ mềm) đặt dưới bệ máy bơm. Dùng ống mềm (cao su) nối với đầu ống hút và ống đẩy của máy bơm. Trên ống đẩy thì có khóa, van một chiều và áp lực kế. Trên ống hút thì bố trí khóa. Một điều quan trọng là bơm phải được tự động hóa việc đóng mở vì nó tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lí, tiết kiệm công, đồng thời bảo đảm cho hệ thống cấp nước làm việc tin cậy hơn. Để giải quyết vấn đề tự động hóa của máy bơm, người ta thường dùng thiết bị sau: Rơlephao: hoạt động của rơlephao dựa trên nguyên tắc: khi nước đầy két nước, phao nổi lên, rơle sẽ ngắt điện và máy bơm ngừng hoạt động. Khi nước trên két cạn gần tới đáy, phao hạ xuống, rơle sẽ đóng điện và tự động mở máy bơm. Van phao: hoạt động tương tự rơlephao. Lưỡi gà và đệm trong van phao mở hoặc đóng là nhờ chuyển động của cam. Cam hoạt động nhờ đòn bẩy gắn với phao bằng đồng, kính hoặc nhựa. Khi két không có nước, phao sẽ bị chìm xuống, van và đệm bị cam kéo ra khỏi mặt tựa, cho phép nước chảy vào két nước hoặc bể chứa. Khi mực nước trong két tăng, phao và đòn bẩy được nâng lên làm cam chuyển động và từ từ đóng van. Van cứ đóng cho đến khi mực nước trong két giảm. Két nước: Đối với quy mô gia đình người ta thường đặt bể thu nước trên mái nhà hoặc hầm mái. Két nước có nhiệm vụ điều hòa nước ngầm chưa xử lí và dự trữ nước đã qua xử lí. Dung tích két không được nhỏ hơn 5% lưu lượng nước dùng một ngày đêm (tính cho ngôi nhà). Dung tích nước không nên quá lớn: 10-15m3, vì nếu quá lớn sẽ làm tăng tải trọng của ngôi nhà. ảnh hưởng đến kết cấu của ngôi nhà. Chiều cao đặt két nước: Chiều cao đặt két nước được xác định trên cơ sở đảm bảo áp lực để tạo ra áp lực tự do đủ để đưa nước từ két nước điều hòa qua bể xử lí và đưa nước từ két nước đã xử lí đến các thiết bị vệ sinh bất lợi nhất trong trường hợp dùng nước lớn nhất của ngôi nhà. Như vậy két nước phải có đáy đặt cao hơn thiết bị vệ sinh bất lợi nhất. Cấu tạo két nước: Trên mặt bằng, két nước có dạng hình vuông, tròn, chữ nhật. Két nước có thể xây bằng gạch, bê tông cốt thép, bằng thép (thép tấm dày 7mm hàn lại), tôn gò, inox v.v.... Dùng thép tấm thì nhẹ, dễ lắp ráp nhưng dễ ăn mòn, gỉ. Khi đó cần phải sơn cẩn thận cả hai mặt trong và ngoài két. Dùng gạch, bê tông cốt thép cần có biện pháp chống rò rỉ nước qua thành và đáy két. Người ta thường sử dụng bồn inox. Vừa nhẹ, vừa đẹp, khả năng rò rỉ cũng thấp. Đáy két chứa nước ngầm chưa qua xử lí phải cao hơn thiết bị xử lí nước 2m để tạo áp lực tự do đẩy nước qua thiết bị xử lí. Đáy két chứa nước sạch nên đặt cách mái khoảng 0.6m. vừa đủ khoảng cách để dễ sửa chữa két khi rò rỉ, vừa tạo một phần áp lực cho các thiết bị vệ sinh tầng trên cùng. Khi đó két có thể đặt trên tường xây hoặc dầm đỡ. Két nước được trang bị các loại ống sau: ống dẫn nước lên két: trên đường ống có bố trí van một chiều và van phao. Van phao hình cầu, đặt cách nắp két một khoảng 0.1-0.2m. ống dẫn nước ra khỏi két: trên đường ống có bố trí van một chiều để nước không vào từ đáy két và tránh xáo trộn bông cặn trong két. ống dẫn nước ra thường đặt cách đáy 0.1m. ống tràn: dùng để xả nước khi van phao hỏng. Mực nước trong két vượt quá giới hạn thiết kế. ống tràn thường đặt cao hơn mức nước trong két 0.05m, dường kính ống tràn bằng 1.5-2 lần đường kính ống lên két. ống tràn được nối với hệ thống thoát nước mưa. ống xả cặn: đường kính 40-50mm đặt ở chỗ thấp nhất ở đáy két để xả cặn khi thau rửa két và thường nối với ống tràn. Trên ống xả có bố trí van đóng mở khi cần thiết. Để tiết kiệm diện tích gia đình và dễ dàng xử lý, ta chọn chiều cao két nước H= 0.5m, chiều dài L= 2m, chiều rộng của kết nước B=1m. Bể lọc: Người ta thường dùng thiết bị lọc để dễ dàng di chuyển và lắp đặt. Trong tầng lọc của thiết bị, việc loại bỏ các chất bẩn là sự kết hợp các quá trình khác nhau như: lắng đọng, hấp phụ, lọc, hoạt động sinh hóa ... Khi Fe(II) chuyển thành hợp chất không tan trong nước thì các chất này sẽ trở thành một phần lớp áo ngoài bọc xung quanh hạt vật liệu lọc. Vật liệu lọc và cách sắp xếp: Lớp trên cùng là cát thạch anh (loại kích cỡ khoảng 0.3-0.5 mm). Lớp tiếp theo là lớp than hoạt tính : dùng loại than hạt nhỏ (kích thước khoảng 0.8-1.6 mm). Lớp dưới cùng là sỏi : tạo khoảng trống để thu gom nước đều. Nước ra Hình III.1: Thứ tự sắp xếp các lớp vật liệu lọc. Quy trình thu gom nước: Nước từ két cho nước đi qua vòi sen để tạo mưa, nhằm cung cấp oxy và tăng pH. Qua lớp cát trên cùng, nước đã được lọc sơ các loại bụi bẩn, sinh vật, phèn. Nước sẽ thấm qua lớp than hoạt tính. Lớp than hoạt tính này có tác dụng hấp phụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguy hiểm và trung hòa các khoáng chất khó hoàn tan trong nước. Qua lớp than hoạt tính, nước tiếp tục thấm qua lớp cát lớn, lớp sỏi nhỏ và lớp sỏi lớn nhất để đi ra bể chứa nước sạch. Ống nước đặt dưới lớp sỏi đỡ có khoan lỗ đường kính khoảng 5 mm dọc thân ống, còn đầu ống phía trong được bịt lại. Như vậy, nước sẽ thấm qua các lỗ nhỏ rải đều trên ống chứ không chảy trực tiếp vào đầu ống. Rửa lọc: Phương pháp rửa lọc của bể lọc này là làm thủ công. Do lớp than hoạt tính phía dưới lớp cát và nhẹ hơn cát nên không thể rửa ngược được vì dùng phương pháp rửa ngược sẽ gây nên xáo trộn lớp vật liệu lọc. Sau 3-6 tháng, ta phải bỏ lớp màng vi sinh đóng trên bề mặt lớp cát trên cùng bằng cách: khuấy đều lớp nước mặt (để nước khoảng 2-3 cm), rồi mở van xả phèn phía trên để nước có chứa cặn sẽ bị trôi ra ngoài. làm lại một hai lần để nước sạch hoàn toàn. Sau đó ta nạo từ từ lớp cát bên trên đem rửa sạch. Sau 9 tháng đến 12 tháng thì thay toàn bộ cát và than hoạt tính. Để đạt được chất lượng nước tinh khiết, trong sạch hoàn toàn. Nếu gia đình có điều kiện nên sử dụng thêm vật liệu trao đổi ion để loại bỏ các ion tự do trong nước sau khi đã qua bình lọc trên.Vật liệu trao đổi ion là các hạt nhựa không hoà tan, trong cấu trúc phân tử có các gốc bazơ hoặc acid như Na+, H+. Những ion này dễ dàng được thay thế mà không làm thay đổi tính chất vật lí của hạt nhựa. Các ion dương hoặc âm cố định trên các gốc này đẩy ion tự do cùng dấu có trong nứơc. Nước sau khi qua hạt nhựa trao đổi cation sẽ loại được các cation như: Al3+, Ca2+, Mg2+, Cu2+, Pb2+, Fe2+ và các ion kim loại khác. Nước sau khi qua hạt nhựa trao đổi anion sẽ loại đựơc các anion như: Cl-, HCO3-, PO43-, NO3-, SO42-. Lúc này bể lọc của ta có cấu tạo như sau: I II Nước vào Nước ra Hình III.2 :Hệ thống lọc Chú thích: Cột I: Chứa cát thạch anh, than hoạt tính, sỏi. CộtII: Hạt nhựa cation, anion,sỏi. Hoàn nguyên bằng NaCl. Đường kính của một cột khoảng 220mm. Vận tốc nước vào 7m/h. C. Kết Luận: Nước phèn ảnh hưởng rất nhiều tới đời sống sinh hoạt, các công trình... gây mất cảm giác mỹ quan.Ngoài ra nó còn gây ra nhiều bệnh cho người và ảnh hưởng đến chức năng lọc màu của thận..Vì vậy việc tìm ra các giải pháp và công cụ cũng như thiết bị loại bỏ các thành phần trong nước phèn là điều rất cần thiết. Áp dụng những phương pháp đơn giản và giá thành rẽ làm giảm lượng phèn trong nước đặc biệt các hóa chất này tạo bông cặn, nặng và dễ lắng. Nước sau lắng được phân tầng rõ rệt, sau khi xử lý tính chất của nước đạt yêu cầu nước ăn uống và sinh hoạt, hóa chất này được tổng hợp từ các hóa chất xử lý nước hiện đang dùng nên không chứa độc chất, không gây hại cho sức khỏe, thiết bị dễ tìm sẽ được áp dụng tốt cho các hộ gia đình. Vì thế thiết bị lọc này sẽ làm giảm được chi phí cho các hộ gia đình và được áp dụng rỗng rãi. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.TS. Trịnh Xuân Lai, xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp -NXB Xây Dựng, Hà Nội 2008 2. Pts. Trịnh Xuân Lai, tính toán thiết kế các công trình trong hệ thống cấp nước sạch - NXB KH& KĨ THUẬT. 3.Nguyễn Duy Thiên, các công trình cung cấp nước sạch cho thị trấn và cộng đồng dân cư nhỏ – NXB Xây Dựng, Hà Nội 2000. 4.Pts. Hoàng Huê, giáo trình cấp thoát nước – NXB Xây Dựng, Hà Nội 1993. 5.ThS.Trần Thị Mai, giáo trình cấp thoát nước trong nhà – NXB Xây Dựng, Hà Nội 2008. 6. Nguyễn Thị Nga, giáo trình cấp nước – NXB Xây Dựng, Hà Nội 2000.